混合MIMO-相控阵雷达目标高分辨成像.pdf
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1、第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7基金项目:国家自然科学基金(6 1 8 0 1 5 1 6)作者简介:陈怡君(1 9 8 9-),女,陕西西安人,副教授,研究方向为雷达目标成像与识别。E-m a i l:c h e n y i j u n 5 1 91 2 6.c o m 引用格式:陈怡君,汪思源,卜立君.混合M I MO-相控阵
2、雷达目标高分辨成像J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):9 5-1 0 4.C HE N Y i j u n,WAN G S i y u a n,B U L i j u n.A H i g h R e s o l u t i o n I m a g i n g w i t h H y b r i d M I MO P h a s e d A r r a y R a d a rJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r-s i t y,2 0 2 3,2 4(3):9 5-1 0 4.混
3、合M I MO-相控阵雷达目标高分辨成像陈怡君1,2,汪思源2,卜立君2(1.西安电子科技大学雷达信号处理国家级重点实验室,西安,7 1 0 0 7 1;2.武警工程大学信息工程学院,西安,7 1 0 0 8 6)摘要 为了兼顾相控阵雷达成像和多输入多输出雷达成像的优势,提出一种基于混合M I MO-相控阵技术的多目标高分辨成像方法。将传统M I MO雷达中的每个单阵元发射天线都用一个工作在混合M I MO-相控阵模式的发射阵列(T A)来代替,每个T A根据目标数量和目标方向划分为多个子阵(S A),每个S A内部阵元工作于相控阵模式并形成指向某个方向目标的发射波束,而各个S A之间发射彼此
4、正交的波形,从而工作在M I MO模式。对各S A的回波信号进行波束形成处理以获得更高的信噪比和信干比增益。在此基础上,结合字典优化、正交匹配追踪和参数化稀疏表征方法,分别提出单次快拍高分辨成像和多次快拍高分辨成像方法。仿真结果表明:所提方法能够获得更好的成像性能和成像实时性。关键词 混合M I MO-相控阵;参数化稀疏表征;单次快拍成像;多次快拍成像D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 3.0 1 3中图分类号 T N 9 5 7 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 0 9
5、 5-1 0A H i g h R e s o l u t i o n I m a g i n g w i t h H y b r i d M I MO P h a s e d A r r a y R a d a rCHE N Y i j u n1,WANG S i y u a n2,B U L i j u n2(1.T h e N a t i o n a l L a b o f R a d a r S i g n a l P r o c e s s i n g,X i d i a n U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 7 1,C h i n a;2.C o
6、 l l e g e o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P A P,X ia n 7 1 0 0 8 6,C h i n a)A b s t r a c t B o t h t h e a d v a n t a g e s o f p h a s e d a r r a y r a d a r i m a g i n g a n d t h e m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t
7、p u t(M I-MO)r a d a r i m a g i n g b e i n g t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n,a m u l t i-t a r g e t h i g h-r e s o l u t i o n i m a g i n g m e t h o d b a s e d o n h y b r i d M I MO p h a s e d a r r a y t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d.I n t h e m e t h o d,t h e t r a n
8、s m i t a r r a y(T A)i s u s e d t o r e p l a c e t h e t r a n s m i t a n t e n n a i n t h e t r a d i t i o n a l M I MO r a d a r,a n d t h e T A w o r k s i n t h e h y b r i d M I MO p h a s e d a r r a y m o d e.E a c h T A i s d i v i d e d i n t o m u l t i p l e s u b-a r r a y s(S A)a
9、c c o r d i n g t o t h e n u m b e r a n d t h e d i-r e c t i o n o f t a r g e t s.T h e i n t e r n a l e l e m e n t i n e a c h S A w o r k s i n t h e p h a s e d a r r a y m o d e t o f o r m a t r a n s m i s s i o n b e a m i n t o p o i n t i n g t o a t a r g e t i n a c e r t a i n d i
10、r e c t i o n,w h i l e e a c h S A t r a n s m i t s m u t u a l l y o r t h o g o n a l w a v e-f o r m s,w o r k i n g a f t e r M I MO m o d e.B e a m-f o r m i n g o f t h e e c h o s i g n a l o f e a c h S A c a n o b t a i n h i g h e r s i g n a l-t o-n o i s e r a t i o(S N R)a n d s i g n
11、 a l-t o-i n t e r f e r e n c e r a t i o(S I R).O n t h i s b a s i s,a s i n g l e s h o t h i g h-r e s o l u t i o n i m a g i n g m e t h o d a n d a m u l t i p l e s h o t h i g h-r e s o l u t i o n i m a g i n g m e t h o d a r e p r o p o s e d r e s p e c t i v e l y i n c o m b i n a-t
12、i o n w i t h t h e d i c t i o n a r y o p t i m i z a t i o n,t h e o r t h o g o n a l m a t c h i n g p u r s u i t a n d t h e p a r a m e t r i c s p a r s e r e p r e s e n-t a t i o n.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d c a n a c h i e v
13、e b e t t e r i m a g i n g p e r f o r m a n c e a n d r e a l-t i m e i m a g i n g.K e y w o r d s h y b r i d M I MO p h a s e d a r r a y;p a r a m e t r i c s p a r s e r e p r e s e n t a t i o n;s i n g l e s h o t h i g h-r e s o l u t i o n i m a-g i n g;m u l t i p l e s h o t h i g h-r e
14、 s o l u t i o n i m a g i n g 在雷达成像中,距离高分辨依靠发射大带宽信号来获得,方位高分辨则依靠雷达与目标之间的大转角观测来获得。目前,基于相控阵雷达和多输入多输出(m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t,M I MO)雷达的成像技术已经得到了较为广泛的研究1-5。在相控阵雷达中,各天线阵元的发射信号为相干信号,可通过相干处理获得高发射相干累积增益和高接收相干累积增益。现有相控阵雷达系统通过控制相移来实现波束指向的灵活调整,并且具有同时多波束形成能力。然而,相控阵雷达虽然可以同时形成多个波束,获
15、得较高的回波信噪比和信干比增益,但各波束内的信号形式一致。而不同目标之间的特征差异会导致适合各目标成像的最优波形之间存在显著差异4,6-8,因此相控阵雷达无法同时针对不同目标发射最适应该目标成像的最优波形;此外,相控阵雷达成像技术需要利用目标相对雷达运动所形成的虚拟阵列来获得高的方位向分辨率,所需的成像积累时间往往较长,这不仅会带来复杂的运动补偿问题,还大幅降低了雷达系统的实时成像性能,且导致成像任务需要占用大量的时间资源9。不同于相控阵雷达,M I MO雷达的特点是具有多个发射和接收天线,并且各发射天线可以辐射不同的信号波形,从而增加了雷达系统发射波形设计的自由度1 0-1 3。当采用快拍成
16、像方法时能够实现对运动目标的瞬时成像9,1 2,1 4-1 6。然而,传统M I-MO雷达成像技术也存在一些局限:通常在目标成像时依据相位中心近似原理9,每对收发阵元可等效为一个收发同置的虚拟阵元(也称为虚拟孔径),各虚拟孔径对应的目标回波可以看作是对目标在不同方位角下的观测结果,对所有的虚拟孔径回波信号进行方位向相干处理即可获得目标的方位向高分辨成像结果,而由于M I MO雷达各发射阵元辐射正交信号,无法获得发射相干累积增益,回波信号S N R将大大低于相控阵雷达回波信号,从而降低了成像质量。特别是当多个目标位于同一距离门内时,各目标回波还将相互混叠,给成像带来更大困难。因此,本文基于混合M
17、 I MO-相控阵技术,提出能够兼具相控阵雷达和M I MO雷达成像优势的多目标高分辨成像方法。所谓混合M I MO-相控阵技术,其主要思想是将发射阵列划分为若干子阵(s u b-a r r a y,S A),每个S A的内部阵元工作在相控阵模式以获得发射相干累积增益,而各个S A之间发射彼此正交的波形,从而工作在M I MO模式以获得波形分集能力1 7。本文将传统M I MO雷达中的每个单阵元发射天线都用一个发射阵列(t r a n s m i t a r r a y,T A)来代替,每个T A根据目标数量和目标方向划分为多个S A,每个S A工作于相控阵模式并形成指向某个方向目标的发射波束
18、。通过自适应地调整S A的划分方法,可以使得每个S A的发射波束内只存在一个目标。又由于各个S A之间发射正交波形,因此接收阵元同时收到的多目标回波信号可被有效分离,避免多目标回波相互混叠。进一步,本文采用前期提出的稀疏线性调频步进信号(s t e p p e d f r e q u e n c y c h i r p s i g n a l,S F C S)波形优化方法8来设计发射信号波形,并通过使不同S A发射的稀疏S F C S信号的子载频互异来保证发射波形的正交性,从而能够同时针对不同目标发射最适应于该目标成像的最优波形,获得更佳的成像性能。在接收端,由于不同S A发射信号子载频互异,
19、不同视角下合成观测信号的载频难以保持一致,传统的基于傅里叶变换的方位向脉压成像方法不再适用,因此本文进一步提出了基于字典优化和参数化稀疏表征的快拍成像方法来实现多目标成像。同时,针对不同的任务需求(如成像实时性和成本需求等),本文分别提出了单次快拍成像方法和多次快拍成像方法,从而可以根据不同需求在时间成本和阵元成本之间取得平衡。1 基于混合M I MO-相控阵技术的单次快拍成像模型 为了提高多目标成像能力,将传统M I MO雷达中的每个发射阵元都用一个T A来代替,每个T A包含Ma个阵元,以间距dt r等间隔排布,并工作于M I MO相控阵模式。假设共有Nr个接收阵元,以间距d等间隔排布;M
20、r个T A以间距Nrd等间隔排布。每个T A以完全重叠方式划分为L个S A。图1给出了所提基于混合M I MO-相控阵技术的单次快拍成像模型的示意图。对于每个S A内部的阵元而言,其发射相同的69空军工程大学学报2 0 2 3年波形并工作在相控阵模式,假设雷达系统已完成了对目标的检测和跟踪,各目标空间位置已知,通过控制不同阵元间的相移来形成指向某个目标的波束。为了避免在波束形成过程中出现栅瓣,本文将dt r设置为半波长。实际中,设0为期望波束方向,当dt r(s i n-s i n0)/=k时会在处出现栅瓣,其中,为波长,k为整数。因此也可根据探测范围需求和目标所处位置等信息来确定合适的阵元间
21、距。同时,由于不同S A之间发射波形是相互正交的,根据等效相位中心原理,所提雷达成像模型可以等效为一个包含MrNrL个自发自收阵元的虚拟阵列。对于每一对T A和接收阵元,该T A中所有指向同一目标(方向)的S A和接收阵元所等效得到的虚拟阵元可在接收端采用波束形成方法进行回波信号合成来获得更高的S I R和S N R,该合成信号可被看作是目标在某视角(即虚拟方位孔径)下的观测结果。因此,对于每个目标,将能获得MrNr个不同虚拟方位孔径下的目标回波信号。显然,在图3所示的成像模型中,所形成的虚拟方位孔径位置的间距为d/2。图1 雷达成像模型(Mr=Nr=2,Ma=6,L=4)假设第l个S A的发
22、射信号为sl(t),且不同S A发射之间满足正交性。假设在第m个T A中有KS A个S A的波束同时指向某一个目标(方向),每个S A包含MS A个阵元,这些阵元以间距dt r等间隔均匀排布。在接收端利用各S A间的信号正交性对各路信号进行分离。设第m个T A中指向同一个目 标 的KS A个S A的 发 射 信 号 载 频 均 为fc m(m),根 据 获 得 的KS A个 高 分 辨 一 维 距 离 像(h i g h-r e s o l u t i o n r a n g e p r o f i l e,HR R P)SkS A(f;m,n)(kS A=1,2,KS A),可得到合成观测信
23、号:S(f;m,n)=KS AKS A=1SkS A(f,m,n)e x p(-j2 fc m(m)c(c kS A(t g t)(1)式(1)为基于混合M I MO-相控阵技术的单次快拍成 像 模 型 在 各 方 位 孔 径 上 的 观 测 信 号,其 中SkS A(f;m,n)中蕴含着目标距离向散射分布信息,e x p(-j2 fc m(m)c(c kS A(t g t)蕴含着目标方位向散射分布信息,通过后续处理就可以获得目标成像结果,具体成像方法在第3节中进行介绍。2 基于混合M I MO-相控阵技术的多次快拍成像模型 在上述单次快拍成像模型中,方位向分辨率取决于虚拟方位孔径长度。为了获
24、得高分辨成像结果,需要较多的发射阵列和接收阵元,硬件成本较高,因此进一步将成像所需的方位观测孔径长度在时间和空间上合理分配,从而实现观测时间和阵列规模之间的平衡。基于混合M I MO-相控阵技术的多次快拍成像模型如图2所示,设共有Mp个T A和Np个接收阵元,间隔分 别为PNpd和P d,其 中P为 快 拍次数。图2 基于混合M I MO-相控阵技术的多次快拍成像模型假设目标运动符合“走-停”模型,即在各次快拍观测过程中认为目标静止,在各次快拍之间,目标运动速度为v。在第p次快拍时,第l个S A的发射信号为sl,p(t),为了确保不同S A发射信号之间的正交性,需要满足:sl1,p(t)s*l
25、2,p(t)dt=ME,l1=l20,l1l2(2)79第3期 陈怡君,等:混合M I MO-相控阵雷达目标高分辨成像式中:ME为信号能量决定的常数。目标处的雷达照射信号可表示为:ss y s(t g t,t)=QqKS AkS A=1qFkS A(s u b,t g t)skS A(t-Rq(kS A)c-v T)(3)式中:T为相邻两次快拍之间的间隔。经过各路信号的分离和距离向脉压处理后,可得第p次快拍时合成观测信号为:Sp(f;m,n)=KS AkS A=1SkS A,p(f,m,n)e x p(-j2 fc m(m)c(c kS A,p(t g t)(4)在完成P次快拍之后,将各方位向
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